Linux 2.6.36 x86 内核中断初始化过程详解

随着硬件技术的发展，中断控制芯片已经不再是传统的ISA总线连着的简单PIC了，APIC，MSI，MSIX等等的词语大家已经非常的熟悉。同时，Linux内核也在不断发展，它在中断上的实现也越来越复杂，在这里我来讨论介绍一下Linux x86 架构下的中断初始化过程。

 

在start_kernel()之前的中断门初始化就不多啰嗦了，在随便的内核教科书里都能看到，这里就从start_kernel以后开始。

 

1.8259a、LAPIC相关数据结构初始化

 

在Linux之中对于每一个中断有两个重要的数据结构与之对应，他们分别是中断门描述符gate_desc和中断请求描述符irq_desc。

我们所谓的中断初始化也就是对这两个数据结构进行初始化。

 

gate_desc

gate_desc很简单，就是一个有着高CPL的普通门描述符。关键就是有一个成员是中断门函数地址，这个地址我们可以直接保存我们的ISR（中断服务程序），也可以保存一个一般中断的入口地址，然后通过这个入口地址指向irq_desc里面保存的ISR，的确Linux就是这样分多种情况实现的。

 

irq_desc

irq_desc里面成员就非常多并且复杂了，由于本文主要描述中断初始化过程，所以对触发过程顺便带过，关于中断的各种触发方式和处理过程会在其他文章中详细讲述。

struct irq_desc {
 unsigned int  irq;
 unsigned int            *kstat_irqs;
 irq_flow_handler_t handle_irq;

 struct irqaction *action; 

 struct irq_chip  *chip;
 struct msi_desc  *msi_desc;
 void   *handler_data;
 void   *chip_data;
 const char  *name;

 ...

 ...s
}

其中中断芯片结构指针*chip，中断触发方式 handle_irq，以及中断服务程序链表*action。

 

中断初始化路径：start_kernel() -> init_IRQ() -> native_init_IRQ() ->

 

 void __init native_init_IRQ(void)
{
     int i;

     /* 初始化8259a PIC中断控制器相关数据结构*/
     x86_init.irqs.pre_vector_init();

 

    /* 初始化SMP的APIC中断门描述符*/
    apic_intr_init();

 

    /*在这里进行遍历所有的中断门，将所有还没有配置得中断门进行统一配置，在这里有一个interrupt函数数组指针，当中断发生的时候将会触发这个interrupt函数，然后所有的interrupt都会从调用do_IRQ的函数，在do_IRQ（）里面触发真正的中断服务程序。 */
    for (i = FIRST_EXTERNAL_VECTOR; i < NR_VECTORS; i++) {
            if (!test_bit(i, used_vectors))
           set_intr_gate(i, interrupt[i-FIRST_EXTERNAL_VECTOR]);
    }
}

 

(1)初始化8259a相关

void __init init_ISA_irqs(void)
{
     int i;

     /*初始化PIC和local APIC芯片，通过写IO，对芯片进行初始化。*/

    #if defined(CONFIG_X86_64) || defined(CONFIG_X86_LOCAL_APIC)
     init_bsp_APIC();
    #endif
     init_8259A(0);

 

     /*在这里将8259a控制的16个中断进行芯片初始化。并且设置电平触发方式，这样是对上面说的irq_desc这个结构进行初始化，当然这里只是PIC芯片部分。*/

     for (i = 0; i < NR_IRQS_LEGACY; i++) {
        struct irq_desc *desc = irq_to_desc(i);

        desc->status = IRQ_DISABLED;
        desc->action = NULL;
        desc->depth = 1;

        set_irq_chip_and_handler_name(i, &i8259A_chip,
           handle_level_irq, "XT");
     }
}
 (2)Apic默认基本中断门初始化。

static void __init apic_intr_init(void)
{
     smp_intr_init();

    #ifdef CONFIG_X86_THERMAL_VECTOR
     alloc_intr_gate(THERMAL_APIC_VECTOR, thermal_interrupt);
    #endif
    #ifdef CONFIG_X86_MCE_THRESHOLD
     alloc_intr_gate(THRESHOLD_APIC_VECTOR, threshold_interrupt);
    #endif
    #if defined(CONFIG_X86_MCE) && defined(CONFIG_X86_LOCAL_APIC)
     alloc_intr_gate(MCE_SELF_VECTOR, mce_self_interrupt);
    #endif

    #if defined(CONFIG_X86_64) || defined(CONFIG_X86_LOCAL_APIC)
     /* self generated IPI for local APIC timer */
     alloc_intr_gate(LOCAL_TIMER_VECTOR, apic_timer_interrupt);

     /* IPI for X86 platform specific use */
     alloc_intr_gate(X86_PLATFORM_IPI_VECTOR, x86_platform_ipi);

     /* IPI vectors for APIC spurious and error interrupts */
     alloc_intr_gate(SPURIOUS_APIC_VECTOR, spurious_interrupt);
     alloc_intr_gate(ERROR_APIC_VECTOR, error_interrupt);

     /* Performance monitoring interrupts: */
    # ifdef CONFIG_PERF_EVENTS
     alloc_intr_gate(LOCAL_PENDING_VECTOR, perf_pending_interrupt);
    # endif

    #endif
}

我们可以看到这些中断初始化很特别，就像我们设置的陷阱门系统调用一样，将中断处理函数直接放在中断门得指向地址，这样只要中断到来，一旦通过中断门将直接跳像中断处理函数，而忽略了irq_desc部分，不需要考虑怎么触发，不需要考虑怎么调度。我们在Linux用

cat /proc/interrupts 也可以看到这些中断与众不同，如下图。这些中断左边显示的不是中断请求号，而是一个标识，右边显示的也不是中断控制芯片的信息。

 

 

（3）剩余中断门得初始化

初始化完特殊的中断以后，接着就将剩余的中断门统一进行初始化，执行统一的interrupt出口。这个就是上面说的gate_desc结构体的大部分初始化地方。

 

2.IO-APIC相关数据结构初始化

之前我们讲到了8259a PIC中断芯片以及local APIC初始化，然后接着是IO-APIC中断分发芯片结构体初始化。

初始化路径：start_kernel() -> rest_init -> kernel_thread() -> kernel -> smp_init() -> APIC_init_uniprocessor() -> setup_IO_APIC() -> setup_IO_APIC_irqs() -> ioapic_register_intr()

 

(1)在setup_IO_APIC_irqs()函数中，将所有注册了的IOAPIC中断请求结构体进行遍历，注册中断默认类型等信息。

static void __init setup_IO_APIC_irqs(void)
{
 int apic_id = 0, pin, idx, irq;
 int notcon = 0;
 struct irq_desc *desc;
 struct irq_cfg *cfg;
 int node = cpu_to_node(boot_cpu_id);

 apic_printk(APIC_VERBOSE, KERN_DEBUG "init IO_APIC IRQs/n");

#ifdef CONFIG_ACPI
 if (!acpi_disabled && acpi_ioapic) {
  apic_id = mp_find_ioapic(0);
  if (apic_id < 0)
   apic_id = 0;
 }
#endif

 //遍历所有的注册中断请求设备

 for (pin = 0; pin < nr_ioapic_registers[apic_id]; pin++) {
  idx = find_irq_entry(apic_id, pin, mp_INT);
  if (idx == -1) {
   if (!notcon) {
    notcon = 1;
    apic_printk(APIC_VERBOSE,
     KERN_DEBUG " %d-%d",
     mp_ioapics[apic_id].apicid, pin);
   } else
    apic_printk(APIC_VERBOSE, " %d-%d",
     mp_ioapics[apic_id].apicid, pin);
   continue;
  }
  if (notcon) {
   apic_printk(APIC_VERBOSE,
    " (apicid-pin) not connected/n");
   notcon = 0;
  }

  irq = pin_2_irq(idx, apic_id, pin);

  /*
   * Skip the timer IRQ if there's a quirk handler
   * installed and if it returns 1:
   */
  if (apic->multi_timer_check &&
    apic->multi_timer_check(apic_id, irq))
   continue;

  desc = irq_to_desc_alloc_node(irq, node);
  if (!desc) {
   printk(KERN_INFO "can not get irq_desc for %d/n", irq);
   continue;
  }
  cfg = desc->chip_data;
  add_pin_to_irq_node(cfg, node, apic_id, pin);
  /*
   * don't mark it in pin_programmed, so later acpi could
   * set it correctly when irq < 16
   */

  //设置中断触发类型
  setup_IO_APIC_irq(apic_id, pin, irq, desc,
    irq_trigger(idx), irq_polarity(idx));
 }

 if (notcon)
  apic_printk(APIC_VERBOSE,
   " (apicid-pin) not connected/n");
}

 

 （2）注册ioapic芯片，如果和8259有冲突就覆盖。

static void setup_IO_APIC_irq(int apic_id, int pin, unsigned int irq, struct irq_desc *desc,
         int trigger, int polarity)
{
 struct irq_cfg *cfg;
 struct IO_APIC_route_entry entry;
 unsigned int dest;

 if (!IO_APIC_IRQ(irq))
  return;

 cfg = desc->chip_data;

 if (assign_irq_vector(irq, cfg, apic->target_cpus()))
  return;

 dest = apic->cpu_mask_to_apicid_and(cfg->domain, apic->target_cpus());

 apic_printk(APIC_VERBOSE,KERN_DEBUG
      "IOAPIC[%d]: Set routing entry (%d-%d -> 0x%x -> "
      "IRQ %d Mode:%i Active:%i)/n",
      apic_id, mp_ioapics[apic_id].apicid, pin, cfg->vector,
      irq, trigger, polarity);

 if (setup_ioapic_entry(mp_ioapics[apic_id].apicid, irq, &entry,
          dest, trigger, polarity, cfg->vector, pin)) {
  printk("Failed to setup ioapic entry for ioapic  %d, pin %d/n",
         mp_ioapics[apic_id].apicid, pin);
  __clear_irq_vector(irq, cfg);
  return;
 }

 //注册中断芯片，覆盖之前初始化的8259芯片。

 ioapic_register_intr(irq, desc, trigger);
 if (irq < nr_legacy_irqs)
  disable_8259A_irq(irq);

 ioapic_write_entry(apic_id, pin, entry);
}

 

static void ioapic_register_intr(int irq, struct irq_desc *desc, unsigned long trigger)
{

 if ((trigger == IOAPIC_AUTO && IO_APIC_irq_trigger(irq)) ||
     trigger == IOAPIC_LEVEL)
  desc->status |= IRQ_LEVEL;
 else
  desc->status &= ~IRQ_LEVEL;

 if (irq_remapped(irq)) {
  desc->status |= IRQ_MOVE_PCNTXT;
  if (trigger)
   set_irq_chip_and_handler_name(irq, &ir_ioapic_chip,
            handle_fasteoi_irq,
           "fasteoi");
  else
   set_irq_chip_and_handler_name(irq, &ir_ioapic_chip,
            handle_edge_irq, "edge");
  return;
 }

 if ((trigger == IOAPIC_AUTO && IO_APIC_irq_trigger(irq)) ||
     trigger == IOAPIC_LEVEL)
  set_irq_chip_and_handler_name(irq, &ioapic_chip,
           handle_fasteoi_irq,
           "fasteoi");
 else
  set_irq_chip_and_handler_name(irq, &ioapic_chip,
           handle_edge_irq, "edge");
}

到这里，我们中断请求的数据结构irq_desc也基本初始化完了，每个中断都分配了默认的处理控制芯片，默认的触发方式，和共同的触发函数入口，而我们平时写驱动的时候就可以直接调用request_irq将特殊的设备中断服务程序添加到对应的中断请求结构体中，就能实现我们需要的中断了。